ANSYS-WORKBENCH全船结构有限元分析流程

一、建立有限元模型

与ANSYS经典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块(Geometry)对建立复杂的船体曲面仍显得力不从心。因此需要在其他建模软件(笔者使用了SolidWorks)中建立船体实体模型后导入WORKBENCH中，完成随后的建模和分析工作。

鉴于实体单元在计算中消耗过多的内存和计算时间，本文采用概念建模(Concept)的方法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体骨架定义为线体(Line Body)，壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。

1.导入实体模型

可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗口，如图1所示。还可双击启动Geometry模块后，在其File菜单中选择导入命令，导入后的模型如图2所示。

模型已冻结，分为船体和上层建筑两部分，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。

图2导入后的模型

2.生成舷墙

(1)在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，进入绘制草图模式。点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置绘制一条曲线。返回模型模式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。

(2)沿甲板将船体分开，点击

“Create”→“Slice”，在“DetailView”窗口“SliceType”选项中选择“SlicebySurface”项，“TargetFace”选择上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项中选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图3所示。

图3船体分为两部分

这时生成的SurfaceBody已完成历史使命，可将其抑制(Suppress)掉了。注意不是把拉伸操作Extrude1、而是生成的面SurfaceBody抑制掉。

(3)生成舷墙：选择(2)中生成的舷墙部分进行抽壳，点击“Thin”→“Surface”，在“DetailView”窗口“Selection Type”选项中，选择“FacetoKeep”项，保留舷墙部分，设置厚度为0，然后点选“生成”。

3.生成船体外表面

本文使用的船舶钢板厚度都是一样的，可将上层建筑与船体一起定义。倘若船体各处钢板厚度不同，计算过程中可分别定义各钢板的厚度。

(1)布尔并运算：点击“Create”→“Boolean”，在“DetailView”窗口Operation选项中选择Unite项，“Tool Bodies”选择上层建筑生成的船舱部分，然后点选“生成”。

(2)生成船体表面：选中(1)中生成的体，然后抽壳，保留全部外表面，厚度设置为0。抽壳后将在图4所示的蓝色区域内产生甲板大开口状，需要补上去。

(3)补全甲板：点击“Concept”→“Surfaces From Edges”，选中图4所示蓝色线条位置处的4条边，然后生成1个面。

图4抽壳后甲板位置有开口

4.在船体骨架位置处生成边

船体是一个板架结构，除了钢板之外还应该有骨架。有限元模型中骨架必须位于船体板上，以免计算时骨架与板分离造成计算结果错误。为了保证模型的骨架位于船体板上，需要在船体板上添加边(edges)，以便在边上生成骨材(LineBody)。

(1)解冻：点击“Tools”→“Unfreeze”，选择上面生成的船体表面，解冻后如图5所示。本文采用印痕操作(Imprint)在船体板上添加边，只有非冻结体才能执行该操作。

图5解冻后的船体表面

(2)印痕：本文采用拉伸命令(Extrude)生成印痕，所以先在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(New Sketch)，在肋骨位置上绘制一组直线，如图6所示。然后“拉伸”，在“DetailView”窗口Operation选项中选择“ImprintFaces”项，Direction项选择“Both-Symmetric”，Extent选项选择“ThroughAll”，然后“生成”。原来光滑的船体表面将出现许多线条，如图7所示。

图6在肋骨位置绘制直线

图7印痕后的船体表面

(3)与(2)的操作相似，在基平面(XYPlane)建立草图(NewSketch)，沿甲板纵桁位置和龙骨位置绘制直线，完成拉伸和印痕操作。在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，沿舷侧纵桁位置绘制直线，完成拉伸和印痕操作。最终在船体表面生成纵横交错的网格线，如图8所示。注意：要等到所需的印痕操作全部完成后再添加Line Body，否则后面的印痕操作可能造成之前添加的Line Body脱离船体表面。

图8印痕后的船体表面

(4)冻结船体，解冻上面补充的甲板面。如图9所示，这里之所以要轮换冻结、解冻不同的面，是因为多个非冻结体会自动执行布尔并运算。倘若布尔运算结果不符合WORKBENCH的要求，模型将出现错误而无法继续建模。

图9印痕后的甲板面

5.生成舱壁

(1)生成首尖舱舱壁：点击“Concept”→“Surfaces From Edges”，选中图10中围成首尖舱的各条边(edges)，然后点选“生成”。

图10生成首尖舱舱壁

(2)生成其他横舱壁：与(1)中操作类似，选择围成舱壁所需的边，一一生成其余各横舱壁。各横舱壁生成后如图11所示。

图11生成其余横舱壁

(3)在横舱壁上印痕：在横舱壁上生成纵横交错的网格线，以便利用这些痕迹添加纵舱壁和船体骨架。印痕操作后如图12所示。

图12横舱壁上的印痕

(4)生成其他舱壁并在舱壁骨架位置印痕：与(1)、(2)中操作类似，选择围成舱壁所需的边，一一生成其余各舱壁，然后在各舱壁上印上纵横交错的痕迹。结果如图13所示。

图13船体各舱壁

6.生成骨架

为了减少工作量，本文着重分析除上层建筑外的船舶整体强度，不考虑上层建筑的受力情况，所以这里不为上层建筑添加骨架，也不关注上层建筑结构强度。

(1)生成甲板横梁：点击“Concept”→“Lines From Edges”，选择甲板上横向的印痕，如图14中绿色线条，在

“Detail View”窗口Operation选项中选择“AddFrozen”项，生成冻结状态的甲板横梁(LineBody)。

直接生成冻结体是为了避免它们与随后添加的甲板纵桁发生布尔并运算。冻结状态下各个梁拥有各自独立的横截面特征，布尔并运算后各个梁将合为一体，只能共同用一种横截面特征。

图14选择甲板上的横向印痕生成横梁

(2)定义横截面：点击“Concept”→“Cross Section”→“LSection”，本文中甲板横梁的横截面为L形，此时将自动呈现绘图窗口，显示一个L形草图。在“Detail View”窗口Dimensions项输入横截面尺寸值即可。

(3)赋予甲板横梁横截面特性：选择生成的Line Body(可群选)，在“DetailView”窗口“CrossSection”项中选择刚刚定义的横截面。点击

“View”→“CrossSectionSolids”，生成的LineBody将显示成实体模样，此时可以看出横梁的位置稍微偏离甲板表面(有时方向跟预期结果不同)，选择其中一个LineBody，在“DetailView”窗口“Offset Type”项中选择“UserDefined”，可输入数值移动横骨到合适位置。

如果发现方向与预期结果不同，可右键点击其“Line Body”(可群选)，在右键子菜单中选择“Select Unaligned Line Edges”予以调整，如可以在“Detail View”窗口Rotate项填入旋转角度。

(4)重复步骤(1)～(3)，生成其他骨架并赋予它们横截面特征，调整各骨架位置。结果如图15所示。

图15生成船体骨架

7.连接各面(Joint)

Joint命令用于将各个面连接起来，连接后的板共同有一条相邻的边，相邻板之间的网格协调一致。Form New Part命令可以使该Part中的各个部分连接起来，使这个Part中的线、面网格都协调一致。

(1)点击“Tools”→“Joint”，选择全部体，然后“生成”。

(2)在Graphics窗口框选全部体，右键点击进入子菜单，选择“FormNewPart”。

二、计算

完成建模后，直接退出正在运行的Geometry模块，在Workbench的Toolbox 窗口双击“StaticStructure”(ANSYS)，将在“ProjectSchematic”窗口中出现新的项目B。如图16所示，拖动项目A中“Geometry”到项目B的相应位置，这时出现一

条连接线，建好的模型就可以导入分析模块进行网格划分和分析计算。双击B

中的“Model”进入分析模块。如果A中模型被修改，再次打开B时系统将会提示是否更新模型。

图16新建分析项目

1.定义钢板尺寸及材料属性

在Outline窗口中展开Geometry(点“+”号)，再展开Part1，选择“SurfaceBody”(可群选)，在“Details of Multiple Selection”窗口Thickness项中填入厚度值即可。如果各个板厚度不同，可一一定义。同一个板也可以拥有不同的局部厚度值。

本文中船体构件都是钢，采用默认材料即可。如需其他材料，需要从材料库添加。

2.划分网格

WORKBENCH中的网格划分更加智能，不再需要选择网格单元，系统将自动选择通用单元完成分析计算。但划分网格前可自行设置各种参数。

在Outline窗口选择Mesh，在“DetailofMesh”窗口中设置网格尺寸并选择所需的选项即可。也可以右键点击“Mesh”添加特殊命令，为某一个(些)特殊部分专门定义尺寸、划分网格的方法等。本文中采用的是正方形网格，如图17所示。

图17划分网格

3.定义边界条件

船舶是航行在水中的，因此外板会受到来自水的压力作用。本文中添加了HydrostaticPressure模块来模拟水压力。船上运载物的重量加载到其所在舱室的骨架上，固定首尾尖舱上的3个点。

在Outline窗口选择“StaticStructural(B5)”，右键点击

“Insert”→“HydrostaticPressure”，在“DetailofHydrostaticPressure”窗口填入水密度值(Definition选项中“FluidDensity”)、重力加速度值(“Hydrostatic Acceleration”选项)并定义液面位置(“FreeSurfaceLocation”选项中“Location”)。结果如图18所示。其他边界条件的定义方法类似，定义后如图19所示。

图18定义水压力

4.分析计算

本文中船体骨架采用的是梁单元，计算出来的应力是正应力和复合应力，而且只有在“BeamTool”里才能显示。

图19边界条件

在Outline窗口选择“Solution(B6)”，右键点击“Insert”→“BeamTool”，添加一个梁工具。同样方法添加其他感兴趣的结果，如变形(Deformation)、应力(Stress)及应变(Strain)等，也可以自定义结果(User Defined Result)。如添加自定义的总变形(等效应力)结果：右键点击“Insert”→“User Defined Result”，在图形窗口点选或框选自己关注的结构，点击“Detail of User Defined

Result”→“Geometry”→“Apply”，这样输出的结果就是所选择的那部分结构的结果。在Expression项填入usum(Seqv)，这样输出的结果就是总变形(等效应力)。列举几个云图，如图20～图22所示。图20中只关注了船舶中间部分的结果，这时船首尾两端是固定的，等效应力比较大。如果显示全船等效应力，船舶中间部分的云图梯度太小，不容易区分哪里应力更大。根据圣维南原理，中间部分的结果相对精确，固定端的结果精确度欠佳。

图20骨架正应力云图

图21自定义总变形云图

三、结语

ANSYS WORKBENCH是相对比较新的软件，船舶强度分析方面的例子也并不多见，这里笔者所采用的方法不一定是最好的，仅供参考。

图22自定义等效应力云图

本文中提到的拉伸印痕操作可以批量生产船体骨架，不会破坏船体外壳的完整性，并同时保证骨架与船体、舱室与船体的良好接触，提高建模效率，降低分析过程中出现裂缝的可能性。生成的骨架不单单是一条线，而是可视的，可以看到横截面形状、朝向及位置，并可调整。但批量赋予骨架横截面特征操作只能用于具有相同横截面特征的骨架。

本文中提到的液体静压力边界条件不仅适合于船体，也适合其他领域。这一边界条件在WORKBENCH中无需自己编程便可直接定义。

软件的功能是有限的，用途却是多样的。很多功能只要我们去发现并善加利用，就能提高分析计算的效率和精确度。